第2章计算机硬件系统

2.1计算机硬件系统组成
计算机硬件系统由运算器、控制器、存储 器、输入设备和输出设备五大部分组成。 运算器是计算机中数据加工处理的中心。 控制器是计算机的控制中心。 存储器存放程序和数据。 输入/输出设备（如键盘、鼠标和显示器） ，提供了计算机和用户交互的界面，用户 通过它们与计算机进行信息交流。
二、固态硬盘SSD
固态硬盘（SolidStateDisk）都是由主控芯片和闪存芯片组成，简单 来说就是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，其接口规范和定义 、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同。 • SSD固态硬盘的优点： 第一，SSD不需要机械结构，完全的半导体化，不存在数据查找时 间、延迟时间和磁盘寻道时间，数据存取速度快，读取数据的能力在 400M/s以上，最高的目前可达500M/s以上。 第二，SSD全部采用闪存芯片，经久耐用，防震抗摔，即使发生与 硬物碰撞，数据丢失的可能性也能够降到最小。 第三，得益于无机械部件及FLASH闪存芯片，无噪音，功耗低。 第四，质量轻， • SSD的缺点： 第一，固态硬盘成本高。 第二，存储容量有待提高。
1. 主存 主存储器做成内存条的形式，以便安装。除主机的主存储器外，显 示卡也使用容量较大的存储器，其他部件通常也有存储器，如硬盘 、光驱、接口卡、打印机、扫描仪等。 1）主存的分类 主存根据存取方式不同又分为两类：随机存储器ＲＡＭ和只读存储 器ＲＯＭ。 • ＲＡＭ是一种可读、可写的存储器，存储器中每一个单元的数据可 以随时读出、写入或者修改；而ＲＯＭ是只读存储器，只能读内容 而不能修改。 计算机中绝大部分主存都是ＲＡＭ，而它又分两类：静态随机存储 器SRAM和动态随机存储器DRAM。 ROM根据半导体制造工艺的不同，可分为ROM，PROM，EPROM ，E2PROM和Flash Memory等。
机械硬盘示意图
• 硬盘的物理结构 硬盘的内部结构主要包括盘体、驱动臂、寻道电机、磁头 、主轴电机等部分。 • 硬盘的逻辑结构
磁道：盘片上某面上存储数据的同心圆。由外编号，0，1，2，…。 柱面：盘片上一组具有相同半径的存储数据的同心圆。 扇区：磁道上的某一存储数据的特殊段。可顺时针编号。是磁盘存 储数据的最小单位。 主引导扇区：硬盘的0面0道1扇区，存储MBR，含硬盘分区信息。
3）主存的性能指标
• 存储容量是用来表明存储器存储信息多少 的能力，它是内存的一项重要指标，因为 它将直接制约系统的整体性能。 • 存储器从接收读写命令到完成读写操作所 需要的时间称为存取周期，或称为读写周 期。 • 内存带宽总量是指每秒钟所能传输的最大 数据容量。
4）内存的发展阶段
• •
• •
5）主存结构图和厂商
2、高速缓冲存储器
• 高速缓冲存储Cache的作用是解决CPU和主存之间速度不 匹配的问题，据统计，CPU的速度平均每年改进60%，而 组成主存的DRAM的速度平均每年只改进7%，Cache的 出现主要可以使CPU不直接访问主存，而只与高速Cache 交换信息。 • CPU要访问的数据如果已在缓存中，即可直接访问Cache ，称之为命中；CPU欲访问的数据不在缓存中，称之为失 效，此时需将该数据所在的主存的整个子块一次调入 Cache中。
三、移动硬盘
移动硬盘，原是用于 笔记本电脑的专用小型 ，由于其轻便、易携的 特色，也用于不同电脑 之间传送文件。 移动硬盘物理上是以 标准硬盘或微硬盘作为 存储介质。 移动硬盘主要由外壳、 控制芯片、数据、电源 接口和笔记本硬盘五大 部分组成。
四、光存储设备
光存储技术的特点是 ：写入信息时先采用 激光照射介质，然后 激光与介质相互作用 ，导致介质的性质发 生变化而将信息存储 下来；读出信息是用 激光扫描介质，然后 识别出存储单元的性 质。
光盘分类
光盘按照读写原理可以分为3种类型： 只读型光存储系统：用户只能从中读取信息 ，而不能往盘上写信息。 一次写型光存储系统:光存储系统可一次写入 ，任意多次读出。 可重写光盘:像硬盘一样可任意读写数据。
五、U盘
• U盘是采用将数据储存 于闪存中，利用USB 接口与电脑进行数据 交换。由于它采用串 行总线（USB）与主 机相连，因此人们称 为U盘。 • USB闪存主要由I/O控 制芯片、闪存、PCB 电路板和其他电子元 件组成。
AMD创办于1969年， 是世界第二大CPU厂商。 目前AMD公司的主流产品 有速龙II系列，羿龙II系列 ，APU系列，推土机（FX ）系列。推土机系列面向 高端的八核处理器有 ADM FX-8150和ADM FX8120 。
2.1.2 内存储器
通常我们可以把计算 机存储器的分级结构 分为CPU内部寄存器 、高级缓冲存储器、 主存储器和外存储器 四级。 它们之间的关系如右 图所示：
2.1.3外存储器
微型机上主要外部存储设备主要有硬盘和光 盘、U盘等。 一、机械硬盘
硬盘是微型机上主要的外部存储设备。具有容量大、存 取速度快等优点，操作系统、可运行的程序文件和用户的 数据文件一般都保存在硬盘上。硬盘是电脑上使用坚硬的 旋转盘片为基础的非易失性存储设备。它在平整的磁性表 面存储和检索数字数据。
• 硬盘的存储结构 • 分区：由成百上千的连续扇区组成的硬盘区域。一个硬盘 可由分区软件分为以下各种分区域。 • 主分区：是硬盘的主要分区。操作系统主要安装在此分区 • 扩展分区：硬盘的其他分区。主要存储数据及应用程序。 • 逻辑分区：扩展分区的进一步划分，一个扩展分区可划分 成很多逻辑分区。 • 活动分区：设置为活动属性（ACTIVE）的某个主分区。 一个硬盘可设置一个主分区为活动属性以便操作系统启动 计算机。
•
内存的发展经历了五个阶段。 IC芯片阶段： 电脑所用内存是IC（集成电路）芯片，必须焊接到主机 板上才能正常使用。 SIMM阶段： 在80286时代，内存条为30个引脚，容量256KB，而且 必须是由9片颗粒(其中8片为数据位，1片为校验位)组成一个bAnk(组) 。486时代的内存主要是72引脚的普通内存，为72线，5V电压，带宽 为32bit，速度60ns（速度是指内存一次读写的时间，越短越好）。 EDO RAM阶段：也称“扩展数据输出内存”，与SIMM有基本相同的应 用范围，有72引脚和168引脚，5V电压，带宽32bit，速度40ns。 SDRAM阶段： 也称“同步动态内存”，都是168线、带宽64bit，3.3V 电压，其工作原理是将RAM与CPU以相同的时钟频率进行控制，使 RAM和CPU的外频同步，彻底取消等待时间。速度20ns。 DDR阶段： DDR SDRAM(Dual Date Rate SDRAM)简称DDR，也就 是“双倍速率SDRAM“的意思。DDR SDRAM也可以说是传统SDRAM 的升级版本，
《大学计算机基础》课程电子讲稿
本章的主要内容
第一小节讲述了计算机硬件的基本知识 ，计算机硬件由运算器、控制器、存储器 、输入设备和输出设备组成。 第二小节讨论了计算机的工作原理和数 制之间的转换，非数值信息在计算机中的 表示。 第三小节讲述了笔记本的发展历程、组 成、新技术特点、工作原理。 第五小节介绍了超级本电脑。
2）主存的工作原理
• 主存储器（简称主存或内存）包括存储体M,各种逻辑部件及控制电路 等。存储体由许多存储单元组成，每个存储单元又包含若干个存储元 件（或称存储基元、存储元），每个存储元件能寄存一个二进制代码 “0”或“1”。 • 如果把一个存储体看做一幢大楼，那么每个存储单元可看做大楼的每 个房间，每个存储元可看做每个房间的一张床位，床位有人相当于 “1”，无人相当于“0”。床位数相当于存储字长。显然，每个房间 都需要有一个房间编号，同样也可以赋予每个存储单元一个编号，称 为存储单元的地址号。 • 主存的工作方式就是按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存（ 写入）和取（读出）。这种存取方式称为按地址存取方式，即按地址 访问储存器（简称访存）。”
• • Байду номын сангаас •
2.1.1 CPU
CPU是由一片或几片 大规模集成电路组成 的具有控制器和运算 器功能的中央处理器 ，它是硬件系统的核 心，用于数据加工处 理，完成各种算术运 算，逻辑运算和控制 功能等功能。
一、CPU简介
1）CPU物理特征 从物理特征而言,CPU由数千万到几十亿个 在显微镜下才能看得见的晶体管，经过化 学的和照相平板印刷后，蚀刻到一块磨光 的只有几厘米大小半导体晶片上形成的。 2）微型计算机的CPU发展史 微型计算机的CPU从1971年发展至今已有 四十多年的历史，按照处理器字长可以分 为4位，8位、16位、32位到现在的64位。
2.CPU工作原理
CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行 操作。一条指令实际上包括两种信息即操作码和地址码。 操作码用来表示该指令所要完成的操作（如加、减、乘、 除、数据传送等），其长度取决于指令系统中指令条数。 地址码用来描述该指令的操作对象，或者直接给出操作数 或者指出操作数的存储器地址或寄存器地址 CPU的工作过程像一个工厂的产品加工过程。进入工厂 的原料(指令和数据)，经过调度部门(控制器)的调度分配 ，被送往生产部门(运算器)，加工出成品后，送往仓库(存 储器)中。
3、CPU性能指标
CPU有十几项性能指标，其中最重要的是： • CPU主频：是指CPU在单位时间（如1秒）内所产生的脉 冲个数。 • 外频：系统总线的工作频率。 • 前端总线频率：前端总线是CPU和外界交换数据的最主要 通道，前端总线频率反映了CPU外界交换数据的速度，它 用数据带宽表示。 • 工作电压：该电压指的是CPU正常工作所需的电压。 • 字长：指计算机一次可处理的二进制信息的位数。 • L1高速缓存：在CPU里面内置了高速缓存可以提高CPU 的运行效率。容量越大，CPU性能也相对会提高不少.
二、CPU组成和工作原理
1. CPU组成
CPU由运算器，控制器、寄存器组三部分组成。 运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄 存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序 产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”， 即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。 寄存器组是CPU内部的临时存储单元。它保存等待被处 理的数据，或者是已经处理过的数据（比如说，把两个 数相加后的结果）。
4、主流的CPU产品
1)Intel公司主流产品 Intel（英特尔）公司是全 球最大的半导体芯片制造 商，它成立于1968年。目 前Intel公司的主流CPU主 要有Corei7第三代四核， Corei7第二代六核/四核， Corei5第三代四核， Corei5第二代四核等。
2)AMD公司主流产品
• 硬盘的接口类型 硬盘的接口分为I DE、SATA、SCSI、光纤通道、SAS等五种，目前 主要应用SATA接口。 SATA的英文全称是Serial-ATA（串行），目前的主流硬盘标准。 • 硬盘的性能指标 记录密度 通常是指单位长度内所存储的二进制信息量。 存储容量 是指外存所能储存的二进制信息总数量。 每分钟转速（RPM）代表了硬盘主轴马达（带动磁盘）的转速 数据传输率 反映了数据交接方双方信息传输的快慢，单位为MB/s 平均寻道时间和平均访问时间 平均寻道时间是指硬盘接到读/写指 令后到磁头移到指定的磁道上方所需要的平均时间。平均访问时间 是指从读/写指令发出到第一笔数据读/写时所用的平均时间 缓存容量 为了减少主机的等待时间，硬盘将读取的资料先存入缓 冲区，等全部读完或缓冲区填满后,再以接口速率快速向主机发送。
识别CPU的编码（intel）
CPU散热
作为整台电脑的核心，CPU承担着 繁重的工作，造成了CPU温度不断上升， 为了避免CPU因温度过高导致报废，对 CPU进行导热是一项不可或缺的工作。 CPU导热主要靠两方面，其一就是 在CPU表面抹上导热硅胶，再者就是在 安装CPU时必须加装一个散热风扇，双 管齐下以达到良好的散热效果，一般 CPU的温度在40-50度左右都属正常范 围，如果正常工作状态下CPU温度超过 75度就要特别关注一下CPU的散热问题 了。